雙過渡金屬Ti2NbC2Tx MXene用于高性能儲鋰

【背景介紹】

MXene是一種新興的二維層狀材料，因其優(yōu)異的性能在各種儲能設(shè)備中受到了全世界的關(guān)注。然而，原始MXene的低容量限制了其在儲能設(shè)備中的應(yīng)用，尤其是鋰離子電池 (LIB)。為了解決上述問題，本文成功制備了穩(wěn)定且高導(dǎo)電的雙過渡金屬MXene (Ti2NbC2Tx)，它更大的層間距和出色的導(dǎo)電性加快了離子擴散和電荷轉(zhuǎn)移。

最終，以Ti2NbC2Tx作為LIBs的負極，在0.1 A g-1下400次循環(huán)后具有196.2 mAh g-1的優(yōu)異比容量和約100%的循環(huán)穩(wěn)定性。除此以外，Ti2NbC2Tx在1A g-1的電流密度下，循環(huán)4000次后仍然表現(xiàn)出81%容量保持率，優(yōu)于Ti3C2Tx和各種先前報道的基于MXene的材料。我們的結(jié)果為未來MXene作為儲能材料的發(fā)展和應(yīng)用提供了一個有吸引力的策略。

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【文章亮點】

1. 采用雙過渡金屬Ti2NbC2Tx MXene作為鋰離子存儲材料。

2. Nb的加入可以擴大層間間距，促進鋰離子的快速擴散。

3.Nb的摻雜可以提高電導(dǎo)率，促進電子傳輸。

4. Ti2NbC2Tx的比容量為196.2 mAh g-1，在0.1 A g-1的條件下，循環(huán)400次后比容量保持率幾乎高達100%。

【內(nèi)容簡介】

日前，燕山大學(xué)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的張新宇教授課題組聯(lián)合泰國朱拉隆功大學(xué)秦家千研究員課題組在Rare Metals上發(fā)表了題為“A double transition metal Ti2NbC2Tx MXene for enhanced lithium-ion storage”的研究文章，成功制備了穩(wěn)定且高導(dǎo)電的雙過渡金屬MXene (Ti2NbC2Tx) 鋰離子存儲材料。

引入過渡金屬元素Nb形成了四元312相MXene (Ti2NbC2Tx)， Nb的摻雜不僅可以擴大MXene材料的面間距，還可以大大提高Ti2NbC2Tx的電導(dǎo)率。Ti2NbC2Tx在Nb中的優(yōu)異性能為MXene材料在能量轉(zhuǎn)換和存儲領(lǐng)域提供了更廣闊的應(yīng)用前景。

【圖文解析】



圖1 （a）Ti2NbAlC2和Ti3AlC2及其刻蝕后的Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的XRD譜圖；（b）為（a）所選區(qū)域的XRD譜圖；(c)Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的拉曼光譜；（d）Ti3C2Tx和Ti2NbC2Tx的XPS譜圖; （e）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx Ti 2p的XPS精細光譜; （f）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx Nb 3d的XPS精細光譜 加入Nb元素后，(002)晶面對應(yīng)的衍射峰偏移了一個小角度，導(dǎo)致晶面間距擴大(0.0317 nm)。

隨著Ti2NbC2Tx晶間間距的增大，Li+擴散勢壘相對較低，從而提高了電化學(xué)性能。350 cm-1附近特征峰的波數(shù)偏移較低，這意味著加入Nb后，樣品表面的-O基團占比增大。



圖2 （a）Ti3C2Tx和（b）Ti2NbC2Tx的SEM圖像;（c、d）超聲處理的Ti2NbC2Tx層數(shù)較少的TEM圖像和Ti2NbC2Tx的IFT圖像;（f）Ti, Nb, C元素Ti2NbC2Tx的元素映射圖像 圖2表明了合成的樣品具有均勻的成分和單一的手風琴狀薄片結(jié)構(gòu)。



圖3 （a）Ti2NbC2Tx樣品的CV曲線；（b）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的GCD曲線；（c）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的倍率性能；（d）Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx的EIS曲線；Ti2NbC2Tx和Ti3C2Tx在0.1 A·g-1（e）和1.0 A·g-1（f）下的循環(huán)性能和(插圖)LED供電照片 圖3電化學(xué)測試表明了Ti2NbC2Tx擁有優(yōu)異的倍率性能、低的電荷轉(zhuǎn)移電阻、高的比容量和容量保持率。



圖4 （a）Ti2NbC2Tx的CV曲線；（b）峰值電流和掃速的關(guān)系曲線；（c）不同掃描速率下贗電容和擴散控制歸一化比例；（d）2.0 mV s-1下贗電容對整體鋰存儲容量的貢獻。



圖5 （a）Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池的倍率性能；（b）Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池在不同電流密度下的GCD譜圖。（c） 0.2 c下Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池的GCD曲線；（c）0.2 c下Ti2NbC2Tx||LiFePO4全電池的循環(huán)穩(wěn)定性

【全文小結(jié)】

1.通過SPS燒結(jié)和刻蝕，我們成功地合成了具有獨特的手風琴狀片層結(jié)構(gòu)的Ti2NbC2Tx。

2.加入Nb元素后，樣品獲得了更大的面間距，提高了鋰離子的輸運率和電解液的浸潤能力。

3.Nb的加入顯著降低了MXene的電荷轉(zhuǎn)移電阻，進一步提高了Li+的存儲能力。

4.Ti2NbC2Tx在0.1 A g-1下的比容量為196.2 mAh g-1, 400次循環(huán)后的容量保持率約為100%。即使在1 A g-1的高電流密度下，4000次循環(huán)后仍能保持81%的容量，表現(xiàn)出很高的可逆性。






審核編輯：劉清